Nave espacial

8.4 Efectos de carga de la nave espacial

La carga de superficie de la nave espacial es la acumulación de carga eléctrica neta y, por lo tanto, un potencial electrostático en las superficies externas de una nave espacial debido a partículas incidentes con energías en el rango de voltios kilo-electrón a decenas de voltios kilo-electrón. Una nave espacial geoestacionaria se carga cuando el vehículo se encuentra con una región de plasma mejorado asociado con un magneto sub tormenta. Estas «nubes» de plasma mejoradas tienen energías de partículas típicas de 1 a 50 keV. Las naves espaciales grandes, de baja altitud y en órbita polar se cargan cuando pasan a través de regiones de actividad auroral. Naves espaciales más pequeñas en órbitas polares de baja altitud pueden cargarse debido a interacciones multicuerpo, si están cerca de una nave espacial más grande mientras pasan a través de una aurora.

Dos tipos de carga de naves espaciales son motivo de preocupación. La carga absoluta es el desarrollo de un potencial del marco de la nave espacial en relación con el plasma espacial circundante. La carga diferencial es el cambio en el potencial de una parte de la nave espacial con respecto a otra. La carga diferencial puede producir fuertes campos eléctricos locales que pueden dar lugar a descargas.

La nave espacial en órbita geosincrónica carga hasta decenas de kilovoltios. El satélite SCATHA demostró que la carga diferencial en superficie en naves espaciales durante las subtormentas está asociada con descargas y anomalías operacionales. En un caso, se midieron en el satélite diferencias potenciales de más de 9,5 kV . Al mismo tiempo, el monitor de pulsos transitorios detectó 29 pulsos. Diecisiete de los pulsos superaron el nivel máximo del instrumento de 7,4 V. Coincidieron con las descargas tres anomalías, incluyendo una pérdida de datos de 2 minutos. Un estudio de 9 años de datos de SCATHA muestra una correlación entre la corriente de partículas con energías en decenas de kilovoltios, el desarrollo de potenciales diferenciales de superficie superiores a 100 V y descargas electrostáticas .

Se han observado algunos eventos graves de carga en la región auroral. Durante 1983, los instrumentos a bordo del Satélite Meteorológico de Defensa 7 (DMSP 7) observaron un potencial absoluto de − 800 V. Desde entonces, algunos eventos con potenciales más altos, hasta − 1.Se han observado 2 kV. No se han asociado anomalías con ninguno de los eventos de carga observados. Sin embargo, la teoría predice que las naves espaciales más grandes del futuro desarrollarán potenciales aún más altos.

Las interacciones multicuerpo pueden causar o mejorar la carga de superficie si dos naves espaciales aisladas eléctricamente, como el transbordador y un astronauta durante la actividad extravehicular (EVA), están cerca una de la otra mientras están en un plasma de alta energía (keV). Dado que varias naves espaciales solo han volado en órbitas ecuatoriales bajas donde no se producen partículas de alta energía de forma natural, no se ha observado carga debido a interacciones multicuerpo.

Como se muestra en la Figura 8.6, la carga en superficie causa problemas para las naves espaciales operativas. La carga diferencial puede dar lugar a diferencias de potencial significativas entre superficies adyacentes y, por lo tanto, a descargas. Las descargas son pulsos rápidos, típicamente de muchos amperios, de nanosegundos a microsegundos. Un efecto primario es la aparición de anomalías de conmutación electrónica, que pueden desencadenarse por descargas relacionadas con la carga diferencial. Los transitorios inducidos por la descarga pueden causar fallas en el sistema y, potencialmente, daños materiales. Una anomalía más común es un comando fantasma, que requiere la intervención desde tierra, lo que posiblemente resulte en la pérdida de datos, acortando así la vida útil operativa de la nave espacial.

la Figura 8.6. Los efectos de la carga de superficie de las naves espaciales incluyen IME, degradación de la superficie y contaminación por descargas, interrupción de las mediciones de partículas y mayor atracción de contaminación.

La carga de superficie puede causar un aumento de los niveles de contaminación, lo que resulta en cambios en las características de la superficie. La carga de superficie de la nave espacial puede aumentar la contaminación de dos maneras. En primer lugar, los contaminantes cargados son atraídos a superficies con carga opuesta. Algunos de los contaminantes que de otra manera se alejarían de la nave espacial son atraídos por las superficies cargadas e impactan a energías más altas donde se mejora la unión química. En segundo lugar, el material expulsado durante una descarga puede depositarse en otras superficies.

La contaminación en superficies con propiedades especiales, como lentes, puede destruir las propiedades especiales. Las temperaturas más altas pueden resultar de propiedades ópticas de superficie alteradas. Las características de carga pueden cambiar debido a cambios en los rendimientos secundarios y fotoelectrónicos. La deposición de contaminantes dieléctricos también puede cambiar la conductividad de la superficie. Por último, la carga de superficie en naves espaciales puede sesgar las mediciones de plasma del entorno espacial. La medida en que estos efectos interfieren con la misión de la nave espacial varía de nave espacial a nave espacial y de episodio de carga a episodio de carga. Fue a principios de la década de 1970 que las naves espaciales comenzaron a experimentar anomalías, y en un caso de falla, que parecían estar relacionadas con la carga de naves espaciales. A principios de la década de 1970 es cuando se introdujo por primera vez la lógica a nivel de computadora en subsistemas electrónicos. La electrónica más sensible podría ser alterada por transitorios que no afectaban a la electrónica en naves espaciales anteriores. A medida que la electrónica se vuelve más sensible, las precauciones se vuelven más importantes.

Se entiende el proceso de acumulación de carga en las superficies de las naves espaciales, y se han desarrollado técnicas para minimizar los problemas asociados. La NASA elaboró las Directrices de Diseño para Evaluar y Controlar los Efectos de Carga de las naves Espaciales, que describen la comprensión del problema en ese momento y sugieren técnicas para evitar problemas asociados con la carga de superficie de las naves espaciales. Se han elaborado códigos informáticos para ayudar a los diseñadores a diseñar naves espaciales con efectos de carga superficial mínimos. La primera línea de defensa contra la carga diferencial es la minimización del área de superficies que son aislantes o conductores flotantes. Esto localiza el problema y reduce la cantidad de carga que se puede descargar rápidamente. (A veces, las diferencias de potencial son mayores cuando las áreas son más pequeñas, pero la carga total y la energía almacenada son más pequeñas.) La atención cuidadosa al diseño de las partes de la nave espacial donde se esperan descargas reduce aún más el riesgo. El blindaje y el filtrado protegen los circuitos de la EMI resultante de cualquier descarga rápida restante. Para algunas aplicaciones, es necesaria la reducción de la carga de superficie, tanto diferencial como absoluta, ya sea mediante el uso de materiales de superficie con alta emisión secundaria de electrones (control de carga pasiva) o mediante el uso de un emisor de plasma (control de carga activa).

En los últimos 15 años, ha surgido preocupación con respecto a la carga en naves espaciales de órbita polar a baja altitud debido a la precipitación de auroras boreales. Se ha observado que la nave espacial DMSP de 2 m carga a-1,2 kV, y una nave espacial de 10 m podría cargar a − 10 kV. La carga auroral difiere de la carga geosincrónica en que las corrientes de carga tienden a ser mucho más altas, el vehículo está en un entorno de carga durante solo segundos y la velocidad de carga y el potencial alcanzado dependen del tamaño del vehículo. Además, los efectos de dos cuerpos y de estela pueden ser importantes, y la carga diferencial entre vehículos como un transbordador y un astronauta durante el EVA es motivo de preocupación. La evaluación del diseño de una nave espacial de órbita polar a baja altitud para detectar posibles problemas relacionados con la carga requiere la consideración de interacciones más complicadas y el uso de herramientas y entornos computacionales diferentes que en el caso de las naves espaciales geosincrónicas. Además, las naves espaciales en órbita polar de baja altitud deben funcionar bien en las regiones ecuatoriales. El trabajo de principios de la década de 1980 proporcionó a los diseñadores de naves espaciales herramientas para reducir el número y la gravedad de las anomalías asociadas a la carga de superficie, pero dejó algunas preguntas sin responder. Con la miniaturización de los componentes, las naves espaciales modernas son más vulnerables a la EMI, por lo que se necesitan requisitos más estrictos.

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